DE2940127A1

DE2940127A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung

Info

Publication number: DE2940127A1
Application number: DE19792940127
Authority: DE
Inventors: Richard J Saunders
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 1978-10-05
Filing date: 1979-10-03
Publication date: 1980-04-17
Also published as: US4304978A; GB2039964A; JPS5550423A; GB2039964B

Description

PATENTANWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 - D-8000 München 60 · Telefon 832024/5 2 9 A 0 1 2

Telex 57' 2744 · Telegramme Interpotent

C8 P14 D

COHERENT, INC., Palo Alto, CaI., USA

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung

Priorität: 5. Okt. 1978 - USA - Serial No. 948 917

Zusammenfassung

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei denen ein Laser zur Wärmebehandlung eines durch Umwandlung härtbaren Werkstückes benutzt werden. Ausreichend hohe Laser-Energiedichten werden an der Werkstückoberfläche erreicht, um eine Weißglutreaktion mit dem Werkstück hervorzurufen, die Weißglutreaktion ist jedoch auf eine ausreichend kurze Zeitspanne eingeschränkt, um irgendein merkliches Schmelzen des Werkstückes zu verhindern. Ein Vorkonditionieren des Werkstückes vor der Wärmebehandlung, ein Abschrecken des Werkstückes mit einem Gasstrahl, und Techniken zur Verfestigung zylindrischer Werkstücke werden ebenfalls beschrieben.

Hindergrund der Erfindung

Bis vor kurzem wurde das Umwandlungshärten von Metallen, hauptsächlich Eisen und Stähle mit einem minimalen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,2 % hauptsächlich unter Verwendung von Induktionserhitzungstechniken durch-

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geführt. Kürzlich haben Laser, insbesondere COp-Laser hoher Leistung begonnen, das Induktionshärten und andere Techniken des Einsatzhärtens zu ersetzen, wenn ein minimales Verziehen und/oder ein selektives Härten des Werkstückes erwünscht ist. Ein Beispiel für die Verwendung eines Lasers für Wärmebehandlungsanwendungen ist in der US-PS 3 957 339 beschrieben.

Bei bekannten Laser-Wärmebehandlungstechniken treten Mangel auf. Die bekannte Laser-Wärmebehandlung resultiert, wie die Induktionswärmebehandlung, oft in verzogenen Teilen oder Teilen mit hohen inneren Spannungen. Wenn die angelegte Wärme vom Laser Leistungsdichten hat, die zu niedrig sind, erfolgt keine optimale Wärmebehandlung. Wenn die Leistungsdichten zu hoch gehalten werden oder zu lange einwirken, finden Verziehen und Schmelzen statt. Das erfordert eine Begradigung und spangebende Bearbeitung nach der Wärmebehandlung. Das ist sehr teuer und zeitaufwendig.

Bei der bekannten Laser-Wärmebehandlung wird auch nicht für eine Vorkonditionierung von Werkstücken gesorgt, um optimal die Laserenergie vom Laser in das Werkstück zu koppeln. Zusätzlich wurde wenig Beachtung dem Problem geschenkt, zylindrische Werkstücke, wie Wellen und Stümpfe kleinen Durchmessers optimal mit Wärme zu behandeln.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung soll deshalb ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Wärmebehandlung mit einem Laser verfügbar gemacht werden.

Weiter soll durch die Erfindung eine verbesserte Technik zur Wärmebehandlung von durch Umwandlung härtbaren Materialien unter Verwendung eines Lasers verfügbar gemacht werden, bei der keine nachträgliche spangebende Bearbeitung der behandelten Werkstücke erforderlich ist.

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Weiter soll durch die Erfindung eine verbesserte Laser-Wärmebehandlung verfügbar gemacht werden, die in den behandelten Werkstücken keine inneren Spannungen und kein Verziehen hervorruft.

Weiter soll durch die Erfindung ein verbessertes Wärmebehandlungsverfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung zur Wärmebehandlung von zylindrischen Werkstücken verfügbar gemacht werden.

Weiterhin soll durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren für Wärmebehandlung verfügbar gemacht werden, bei dem die Werkstücke vor der Wärmebehandlung vorkonditioniert werden.

Erfindungsgemäß wird ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines durch Umwandlung härtbaren Materials mit ausreichend hohen Energiedichten gerichtet, so daß eine Weißglutreaktion mit dem Werkstück hervorgerufen wird. Gleichzeitig wird die Verweilzeit des Laserstrahls auf der Arbeitsfläche ausreichend kurz gehalten, so daß kein erhebliches Schmelzen des Werkstückes stattfindet.

Ungleich bekannten Wärmebehandlungssysterneη unter Verwendung eines Lasers wurde festgestellt, daß ein Schlüssel zur erfolgreichen Wärmebehandlung von durch Umwandlung härtbaren Materialien darin besteht, das Werkstück auf Temperaturen zu erhitzen, die unter normalen Techniken der Laser-Wärmebehandlung in einem zu starken Schmelzen des wärmebehandelten Materials resultieren würden.

Die Temperatur einer Weißglutreaktion ist typischerweise größer als die, bei der das wärmebehandelte Material schmilzt. Aus verschiedenen Gründen findet jedoch kein Schmelzen statt. Zunächst wird die Verweil -zeit - die Zeit, in der der Laserstrahl auf das Werkstück auftrifft -sehr kurz gehalten. Das wird auf zwei Weisen erreicht. Der Strahl wird mit ausreichend hoher Rate über das Werkstück geführt, so daß die Verweilzeit kurz gehalten wird. Ferner wird der Laserstrahl als eine

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schmale Linie senkrecht zur Traversierrichtung projiziert, so daß die Belichtungszeit des Laserstrahls sehr kurz gehalten wird.

Zweitens wird ein Gasstrahl dazu verwendet, das behandelte Werkstück auf einer gleichförmigen, und vergleichsweise niedrigen, Temperatur zu halten. Wenn der Laserstrahl auf das Werkstück auf trifft, besteht deshalb eine geringere Wahrscheinlichkeit dafür, daß Schmelzen wahrscheinlich eintritt.

Erfindungsgemäß wärmebehandelte Werkstücke zeigen ausgezeichnete Resultate mit wenig induzierten inneren Spannungen. Dadurch können erhebliche Einsparungen realisiert werden, weil keine anschließende spangebene Bearbeitung bei Anwendungsfä'llen mit hoher Präzision erforderlich ist.

Es ist zwar kein merkliches Schmelzen beobachtet worden, es ist jedoch möglich, daß bei der Weißglutreaktion lokales Oberflächenschmelzen in geringem Umfang stattfindet. Ein solches Schmelzen, wenn es überhaupt auftritt, ist jedoch auf die alleroberste Schicht des Werkstückes beschränkt und verursacht keinerlei meßbare Oberflächendeformation des Werkstückes.

Resultate unter Verwendung der Erfindung haben ein Umwandlungs-Härten in Materialien zwischen 2 mil und 30 mil (51 und 762 um) Tiefe gezeigt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden Werkstücke vor der Härmebehandlung vorkonditioniert. Das wird dadurch erreicht, daß eine dünne, gleichförmige Schicht auf der Werkstückoberfläche ge formt wird. Diese Schicht hat die Charakteristik, daß sie Energie bei der Wellenlänge des Laserstrahls absorbiert und in dem Sinne wirkt, daß die Laserenergie effektiver in das Werkstück gekoppelt wird.

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Bei einer tatsächlichen AusfUhrungsform war der zur Wärmebehandlung benutzte Laser ein CO^-Laser mit einer Hauptwellenlänge bei 10,6 um. Oxyde und Phosphate sind für Energie bei dieser Wellenlänge sehr absorbierend. Eine dünne Oxyd- oder Phosphat-Schicht wird vor der Wärmebehandlung auf das Werkstück gebracht. Wenn das geschieht, wird Energie effektiver in das Werkstück gekoppelt, ohne ein Schmelzen zu verursachen. Die Oxyd-/Phosphat-Schicht scheint das Verfestigen des Werkstückes nicht zu beeinträchtigen.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine verbesserte Technik zur Wärmebehandlung von zylindrischen Werkstücken beschrieben, beispielsweise Wellen und Stümpfen mit kleinem Durchmesser. Wie noch näher im folgenden erläutert wird, wird dabei das zylindrische Werkstück längs wendelförmiger Bänder gehärtet, wobei gleichzeitig ein wendeiförmiges weiches Band auf jeder Seite der gehärteten Fläche gelassen wird, das nicht wärmebehandelt wird.

Die erwähnten und weiteren Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von gewissen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung; in dieser zeigen:

Figur 1 eine Illustration des Prinzips der Erfindung zum Verfestigen eines zylindrischen Werkstückes;

Figur 2 eine Illustration zum Verfestigen eines flachen Werkstückes nach der Erfindung;

Figur 3 eine Darstellung der Erfindung mit Verwendung eines Gasstrahls zum Abschrecken des Werkstückes;

Figur 4 eine Darstellung der Erfindung mit Verwendung eines Gasstrahls zum Abschrecken eines zylindrischen Werkstückes;

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Figur 5 einen Schnitt durch eine tatsächliche AusfUhrungsform der Erfindung;

Figur 6 eine Vorderansicht einer tatsächlichen Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 7 eine Darstellung einer bekannten Verfestigungstechnik.

Figuren 1 und 2 zeigen die Wärmebehandlungstechnik nach der Erfindung für ein zylindrisches bzw. ein flaches Werkstück. Gemäß Figur 1 wird ein Laserstrahl 10 senkrecht zu einem durch Umwandlung härtbaren Werkstück 12, beispielsweise einem Wellenstumpf oder einer Welle, auf dieses gerichtet. Gemäß Figur 2 ist das Werkstück 12 flach, beispielsweise ein Messer oder Blatt. In beiden Fällen wird der Laserstrahl 10 längs einer Achse mit einer Zylinderlinse 14 (in Figuren 3 und 4 dargestellt) fokussiert. Das resultiert in einem Laserstrahl, der eine "flache" Ebene ist und resultiert in der Projektion einer schmalen Lichtlinie 16, wo der Laserstrahl das Werkstück schneidet.

Die Energiedichte des Laserstrahls 10 am Auftreffpunkt auf das Werkstück 12 ist ausreichend hoch, so daß eine Weißglutreaktion mit dem Werkstück stattfindet. Das ist eine Anzeige dafür, daß die Temperatur an der Oberfläche des Werkstückes ausreichend hoch ist, so daß Schmelzen stattfinden würde. Durch Minimieren der Verweilzeit, d. h. der Zeitspanne, in der der fokussierte Laserstrahl eine spezielle Fläche auf dem Werkstück schneidet, findet kein merkliches Schmelzen statt.

Um die Verweilzelt zu minimieren.wird der Laserstrahl 12 schnell über die Werkstückoberfläche traversiert. Im Falle eines flachen Werkstückes (Figur 2 und 3) traversiert die Ziellinie oder der Schlitz 16 des Laserstrahls 10 längs des Werkstückes 12. Das kann entweder dadurch erfolgen, daß das Werkstück 12 relativ zum Laserstrahl 10 bewegt wird, wie in Figur 2 gezeigt, oder dadurch, daß der Laserstrahl 10 längs

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des stationären Werkstückes bewegt wird, wie in Figur 3 dargestellt.

Im Falle eines zylindrischen Werkstückes, wie in Figuren 1 und 4 dargestellt, rotiert das Werkstück 12 um seine Längsachse 18 zu der gleichen Zeit, in der das Werkstück 12 relativ zum Laserstrahl 10 longitudinal bewegt wird. Als Resultat folgt die Fläche, die umwandlungsgehä'rtet wird, einem Weg oder Band 19, das allgemein Wendel- oder Schraubenlinienform hat.

Die Verweilzeit wird auch durch die Wahl der Form und Orientierung des projizierten Laserstrahls auf dem Werkstück kurz gehalten. Erfindungsgemäß definiert die Breite W des Laserstrahls 10, d. h. die Dimension des Laserstrahls längs der unfokussierten Achse, die Breitendimension der wärmebehandelten Fläche, wenn der Laserstrahl über diese geführt wird. Die Orientierung der projizierten Laserstrahllinie 16 liegt senkrecht zu der Rotations- oder Traversier-Richtung. Als Resultat läuft der Strahl sehr schnell über irgendeine gegebene Fläche, während er über das Werkstück passiert.

Typische Strahlabmessungen auf dem Werkstück nach Fokussierung mit einer Zylinderlinse betragen 0,450 Zoll bis 0,625 Zoll (11,43 bis 15,88 mm) Breite auf der unfokussierten Achse, und etwa 0,005 Zoll bis 0,020 Zoll (0,127 bis 0,508 mm) auf der fokussieren Achse. Das resultiert in einer Breite der gehärteten Zone von etwa 0,350 bis 0,500 Zoll (8,89 bis 12,7 mm). Unter den gleichen Laserbedinungen und einer Fokussierlinse, die einen runden Fleck erzeugt, beträgt der minimale Strahldurchmesser, der ohne schweres Schmelzen verwendet werden kann, etwa 0,100 Zoll (2,54 mm), während der maximale Durchmesser etwa 0,150 Zoll (3,81 mm) beträgt. Das bedeutet, daß die tatsächlichen Abdeckungsraten in Flächeneinheiten pro Minute zur Umwandlungshärtung für einen runden Fleck erheblich niedriger sind im Vergleich mit einer Linienfokussierung, die mit einer Zylinderlinse

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hervorgerufen wird, die in der richtigen Richtung unter Verwendung der gleichen Laser-Ausgangsenergie-Pegel orientiert ist.

Das steht auch im Kontrast zu dem Stand der Technik gemäß US-PS 3 957 339, bei der der Laserstrahl, der ebenfalls als Lichtebene projiziert wird, so orientiert ist, daß die resultierende projizierte Laserlichtlinie auf dem Werkstück 12 parallel zur Bewegungsrichtung des Werkstückes 12 verläuft. Die Breite des Bandes, das mit dem Laserstrahl 10 wärmebehandelt wird, wird dadurch bestimmt, daß der Laserstrahl 10 in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Werkstücklaufs hin und her oszilliert. Diese Behandlung ist in Figur dargestellt.

Diese letztere Behandlung hat mehrere Nachteile. Zunächst werden aufwendigere mechanische Einrichtungen gefordert, um den Strahl quer Über das Werkstück oszillieren zu lassen. Zweitens, wenn ein gekrümmtes Werkstück auftritt, wie in Figur 1 gezeigt, würde die projizierte Laserlinie auf einer gekrümmten Fläche liegen, weil der Strahl senkrecht zur Ebene des Strahls nach Figur 1 orientiert wäre, so daß die Werkstückoberfläche teilweise in und teilweise außerhalb der optischen Brennebene liegen würde, wodurch eine ungleichmäßige Erwärmung stattfinden würde. Drittens, wie noch näher erläutert wird, ist es sehr wichtig, daß Anfang und Ende der Wärmebehandlung an nahezu exakt dem gleichen Punkt stattfinden muß. Bei einem hin und her oszillierendem Strahl ist es fast unmöglich, dieses Resultat zu erreichen. Wenn schließlich der Strahl in der gleichen Richtung wie der Abtastrichtung orientiert ist, werden keine kurzen Verweilzeiten erzielt, da irgendeine gegebene Fläche des Werkstückes durch die lange oder unfokussierte Abmessung des projizierten Strahls passiert.

Es wurde festgestellt, daß eine Weißglutreaktion und eine befriedigende Wärmebehandlung von durch Umwandlung härtbaren Materialien bei Leistungsdichten im Bereich von 100 bis 160 χ 10³ Watt/Quadratzoll (15,5 bis 24,8 kW/cm ) und einer Verweil zeit von etwa 0,017 bis

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0,026 Sekunden erreicht werden kann. Selbstverständlich hängt die spezielle Leistungsdichte sowie die spezielle Verweilzeit von dem speziellen Werkstück ab, das behandelt wird. Solche Faktoren wie Type des Werkstückmaterials und Größe und Form des Werkstückes beeinflussen sowohl die erforderliche Leistungsdichte als auch die erforderliche Verweilzeit.

Eine Weißglutreaktion unterscheidet sich von einer Reaktion, die bei niedrigeren Temperaturen erfolgt, wenn das Werkstück mit roter Farbe glüht, d. h. "rotglühend" ist. Trotz der Tatsache, daß eine Weißglutreaktion bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Werkstückes erfolgt, tritt kein massives Schmelzen des Werkstückes auf, solange die Verweilzeit ausreichend kurz gehalten wird. Das ist für die richtige Wärmebehandlung von durch Umwandlung härtbaren Materialien wichtig. Es 1st möglich, daß etwas lokales Schmelzen an der Werkstückoberfläche eintritt, in keinem Falle gibt es jedoch irgendein massives oder großflächiges Schmelzen des Werkstückes.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Gasstrahl dazu verwendet, das Werkstück unmittelbar nach der Wärmebehandlung abzuschrecken. Es wurde festgestellt, daß für Teile geringer Masse Gasabschrecken besonders ratsam ist. Das Gasabschrecken dient dazu, einen Wärmestau im Werkstück zu verhindern und hilft damit beim Verhindern des Schmelzens und erhöht die Härte der wärmebehandelten Zone durch Abschrecken des Materials, wenn die heiße Zone sich bewegt.

Eine Luftdüse 20 ist in Fig. 3 und 4 für ein flaches bzw. zylindrisches Werkstück dargestellt. Die Gasdüse 20 projiziert einen Strahl oder Strom 22 aus Gas oder Luft derart, daß dieser unmittelbar auf den Schnitt von Laserstrahl 10 und Werkstück 12 auf das Werkstück auftrifft.

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In einigen Fällen wird Luft zum Abschrecken der Reaktion verwendet und in anderen Fällen wird ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, verwendet. Luft wird verwendet, wenn eine zusätzliche Oxydation erforderlich ist, um die Weißglutreaktion zu unterstützen. Die Luft reagiert mit dem Werkstück, so daß Oxyde gebildet werden, die ihrerseits effektiver Energie in das Werkstück koppeln.

In einigen Fällen ist eine oxydierende Reaktion nicht erwünscht, beispielsweise bei der Wärmebehandlung von rostfreiem Stahl oder von sehr dünnen Teilen. In solchen Fällen wird ein Inertgas, wie Stickstoff oder Helium, verwendet.

Wie in Fig. 1 und 4 dargestellt ist, werden beste Resultate erreicht, wenn der Laserstrahl 10 auf eine Position 24 gerichtet wird, die gegen die Vertikalachse des zylindrischen Werkstückes 12 versetzt ist. Das Licht 26, das nicht absorbiert wird und vom Werkstück 12 weg reflektiert wird, wird nicht in die Linse 14 zurückreflektiert. Das verhindert Schäden an der Linse im Lasersystem.

Während bei der bevorzugten AusfUhrungsform der gewählte Laser ein CO«- Laser mit einer Ausgangswellenlänge von 10.6 μπι ist, können auch andere Laser verwendet werden, beispielsweise ein YAG-Laser. Zusätzlich ist zu erwähnen, daß zwar der Ausdruck "Licht" zur Beschreibung des Ausgangs des CO^-Lasers verwendet worden ist, tatsächlich ist der Strahl jedoch für das unbewaffnete Auge nicht sichtbar, er liegt vielmehr außerhalb des sichtbaren Teils des Spektrums. Trotzdem kann er zulässig als "Licht" bezeichnet werden, so daß dieser Ausdruck für die Zwecke der Beschreibung der Erfindung ausreicht, diese aber nicht auf den sichtbaren Teil des Spektrums beschränkt ist.

Lichtenergie vom Laser wird effektiver durch geeignete Vorkonditionierung des Werkstückes in das Werkstück gekoppelt. Oxyde und Phosphate sind wirksame Materialien zum Einkoppeln der Wellenlänge

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von 10,6 um von einem COp-Laser. Vor der Wärmebehandlung werden die Teile entsprechend bekannten Beschichtungsprozessen, wie Aufsprühen oder Eintauchen, beschichtet, so daß eine sehr gleichförmige Lage aus Oxyd oder Phosphat oder einem anderen Material gebildet wird, das bei der Wellenlänge des Lasers absorbiert. Es ist sehr wichtig, daß diese Lage gleichförmig ist.

Techniken zum Beschichten von Metall mit Phosphat und Oxyd, manchmal als "Schwarzoxydieren" bezeichnet, werden beispielsweise beschrieben in "Metals Handbook", 8. Auflage, 1972, herausgegeben von der American Society for Metals, vergl. insbesondere Band 2 "Heat Treating, Cleaning and Finishing", Seiten 531-547.

Es ist wichtig, daß die gebildete Oxyd- oder Phosphat-Schicht nicht zu dünn ist. Wenn das der Fall ist, wird sie für den Laserstrahl im wesentlichen durchlässig. Als Resultat reflektiert die darunterliegende Metallfläche, die ja reflektierend ist, einen erheblichen Teil der Lichtenergie weg, so daß die Energie vom Laserstrahl ineffektiv gekoppelt wird.

In den Bereichen, an denen eine Verfestigung stattgefunden hat, resultiert eine leicht gemusterte Oberfläche des Oxyds. Diese kann durch ein leichtes Drahtbürsten entfernt werden. Wenn es zusätzlich erwünscht ist, die Oxydschicht in Bereichen zu entfernen, die dem Laserstrahl nicht ausgesetzt waren, kann Salzsäure dazu verwendet werden, die Oxyd- oder Phosphat-Schicht zu entfernen.

Es wurde auch festgestellt, daß, wenn Gußeisenteile behandelt werden, etwas dickere Oxydlagen am effektivsten sind, da zusätzliche Wärmeenergie in das Werkstück gekoppelt werden kann. Allgemein sollten auch die Verweilzeit kürzer und die verwendeten Leistungsdichten niedriger sein, je kleiner das Teil ist.

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In Fig. 1 ist eine verbesserte Technik zur Wärmebehandlung eines zylindrischen Werkstückes dargestellt. Wie dort dargestellt, rotiert das Werkstück 12 während der Wärmebehandlung, zusätzlich wird der Strahl 10 längs des Werkstückes 12 in einer Richtung allgemein parallel zur Längsachse 18 des Werkstückes bewegt. Als Resultat definiert die resultierende verfestigte Fläche ein wendel- oder schraubenlinienförmiges Muster auf dem Werkstück.

Durch Einstellen der Drehzahl und der Laserabtastrate ist es möglich, Wendelmuster auf dem Werkstück zu erzeugen, die durch nicht-wärmebehandelte oder "weiche" Zonen 28 getrennt sind. Diese Zonen alternieren zwischen den verfestigten Zonen und haben deshalb auch eine Schraubenlinien- oder Wendel-Form.

Unter Verwendung dieser Lösung ergeben sich bessere Abnutzungscharakteristiken. Es wird angenommen, daß abrasive Partikel, die bei Benutzung des Werkstückes entstehen, in den "weichen" Zonen eingebettet werden. Das hält abrasive Partikel von den verfestigten Zonen weg, so daß deren Lebensdauer erhöht wird. Es wird auch angenommen, daß bei der Spiralform der "weichen" Zonen die abrasiven Partikel längs der "weichen" Zonen in einer Richtung wandern, die von der Drehrichtung der Welle abhängt. Schließlich wandern die abrasiven Partikel vollständig aus der Abnutzungszone des Teils heraus.

Als ein Beispiel werden die typischen Abmessungen der gehärteten und "weichen" Zonen für eine Stahlwelle von 0,38 Zoll (9,65 mm)Durchmesser angegeben. Die wendeiförmige gehärtete Zone hat eine Breite von 0,300 bis 0,400 Zoll (7,62 bis 10,16 mm). Die "weiche" Zone kann in einer kontinuierlichen Wendel zwischen 0,030 Zoll und 0,100 Zoll (0,76 bis 2,54 mm) liegen. Testresultate geben etwa dreimal bessere Abnutzungscharakteristiken für die beschriebenen alternierenden harten und "weichen" Zonen gegenüber den Abnutzungscharakteristiken des gleichen Teiles an, das durch Induktionshärten behandelt ist.

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Unter Verwendung der gleichen Stahlwelle von 0,38 Zoll (9,65 mm) Durchmesser als Beispiel können die oben erwähnten Leistungsdichten zur Erzeugung einer Weißglutreaktion erreicht werden, wenn die Welle im Bereich von 20 bis 30 U/min rotiert, ein 500 Watt EVERLASE-Laser der Firma Coherent und eine Zylinderlinse (vergl. Fig. 5 und 6) von 2,5 Zoll (63,5 mm) Brennweite verwendet werden.Die Abtastrate längs der Werkstückachse ist selbstverständlich eine Funktion des gewünschten Abstandes zwischen benachbarten Bändern aus verfestigten Zonen.

Um eine von Verziehungen freie Wärmebehandlung von Wellen kleinen Durchmessers (0,5 Zoll, d.h. 12,7 mm oder weniger) zu erhalten, ist es notwendig, einen momentanen Start und ein vorgegebenes Ende einer wendeiförmigen Wärmebehandlungszone hervorzurufen. Das kann wiederholbar nur mit einer Zylinderlinse erreicht werden, die zu einer hohen Leistungsdichte senkrecht zur Drehachse der Welle fokussiert, und einer gleichförmigen Oxydbeschichtung. Wenn ein Rundstrahl fleck oder ein optischer Abtastfleck verwendet werden, ist die Leistungsdichte unzureichend, um eine momentane, d.h. sofortige, Reaktion einzuleiten. Da es notwendig ist, das Wendelmuster radial an der gleichen Stelle zu beginnen und zu beenden, um ein Verziehen zu verhindern, muß eine Zylinderlinse verwendet werden. Eine schwarze Oxydoberflächenschicht hat sich bei 10,6 μηι als sehr absorbierend gezeigt. Die Beschichtung führt auch selbst zur Gleichförmigkeit, ein weiterer wichtiger Faktor beim Minimieren des Verziehens.

Wellen von 0,38 Zoll (9,65 mm) Durchmesser und 5,0 Zoll (127 mm) Länge sind wiederholt mit drei wendelförmigen Zonen gehärtet worden, die jede 1 Zoll (25,4 mm) lang waren. Die maximal gemessene Abweichung betrug 0,0005 Zoll (0,0127 mm). Bei allen Wärmebehandlungsmustern erforderten die Oberflächen keine nachträgliche spangebende Bearbeitung oder Schleifen. In den gehärteten Zonen wurde keine meßbare Verformung hervorgerufen.

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Einige Beispiele von speziellen verfestigbaren Materialien, die nach der Erfindung erfolgreich wärmebehandelt worden sind, sind beispielsweise SAE 1060, SAE 1050, SAE 11244, SAE 1144 und SAE 440C (rostfreier Stahl).

Eine tatsächliche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 und 6 dargestellt, die eine Wärmebehandlungsvorrichtung 30 darstellen. Der Laserstrahl 10 tritt durch eine öffnung 32 an der Rückseite des Gehäuses 34 ein. Er wird dann mit einer Serie von drei Reflektoren 36, 38 und reflektiert und geht schließlich durch eine Zylinderlinse 40, die innerhalb der Gasdüse 42 lokalisiert ist, auf das zylindrische Werkstück in der bereits beschriebenen Weise.

Das Werkstück 12 wird mit zwei Werkstück-Behandlungsmechanismen 44 abgestützt und rotiert, die zwei Supportschlitten 46 aufweisen, die mit zwei Führungen 48 abgestützt wenden. Jeder der Schlitten 46 kann längs der Führungen 48 bewegt werden, um Werkstücken unterschiedlicher Längen Rechnung zu tragen.

Innerhalb einer Aussparung 50 in jedem der Schlitten 46 befinden sich Abstütz- und Ausfluchtwalzen 52. Die Walzen 52 werden auf horizontalen Achsen abgestützt und rotieren frei, wenn sich das Werkstück 12 dreht. Wie bereits beschrieben, sind die Walzen 52 in der Weise positioniert, daß der Laserstrahl 10 die Oberfläche des Werkstücks 12 leicht gegen die Vertikalachse des Werkstücks versetzt erreicht.

Jeder der Schlitten 46 trägt einen Schwenkarm 54 mittels eines Schwenkzapfens 56. Der Schwenkarm 54 ist mit einem Gabel teil 60 abgeschlossen, der einen Wellenstumpf 62 und zwei Antriebswalzen 64 trägt, die am Werkstück 12 anliegen, wenn ein Werkstück in die Wärmebehandlungsvorrichtung 10 eingesetzt wird. Wenn der Schwenkarm 54 sich in der in Fig. mit durchgezogenen Linien dargestellten Position befindet, steht die Antriebswalze 64 mit der rotierenden Welle 66 in Eingriff. Die Welle

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wird in geeigneter Weise mit Abstützelementen 68 und 70 abgestutzt. Das Abstützeiement 68 trägt auch den Motor 70 mit variabler Drehzahl , der die Welle 66 antreibt.

Wenn der Hebelarm 58 nach oben bewegt wird, schwenkt der Arm 54 um den Zapfen 56 in die in unterbrochenen Linien dargestellte Position 54*. Wenn in Betrieb ein neues Werkstück 12 wärmebehandelt werden soll, wird der Hebel 58 aufwärts bewegt und der Arm 54 aus dem Eingriff mit der Welle 66 herausbewegt. Das vorangegangene Werkstück, das jetzt wärmebehandelt ist, wird dann herausgenommen und ein neues Werkstück den Walzen 52 benachbart eingesetzt. Der Hebelarm 58 wird dann nach unten gezogen, so daß das Antriebsrad 64 am Unterteil des Werkstücks 12 anliegt. Zusätzlich wird auf diese Weise dafür gesorgt, daß das Antriebsrad 64 an der rotierenden Welle 66 anliegt, so daß das Werkstück 12 um seine Achse gedreht wird. Dieser Mechanismus hat den Vorteil, daß er für Werkstücke 12 mit vielen unterschiedlichen Durchmessern geeignet ist, während gewährleistet wird, daß das Werkstück einwandfrei mit der Maschine ausgefluchtet wird.

Eine Gasdüse 67 wird dazu verwendet, das Werkstück nach der Erwärmung mit dem Laser abzuschrecken, wie oben beschrieben.

Es ist zwar oben ein manueller Betrieb der Wärmebehandlungsvorrichtung 30 in Verbindung mit Fig. 5 und 6 beschrieben worden, ersichtlich können jedoch verschiedene Automatisiereinrichtungen dazu verwendet werden, die Werkstücke in die Maschine zu laden sowie den Schwenkarm automatisch in Eingriff mit dem Werkstück 12 und der rotierenden Welle und außer Eingriff mit diesen Teilen zu bringen. Beispielsweise kann für diesen Zweck ein Malteserkreuz-Mechanismus verwendet werden.

Der Laserstrahl überstreicht das rotierende Werkstück 12 dadurch, daß die Laserausgabeoptik längs des Werkstückes bewegt wird. Das wird

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dadurch erreicht, daß ein Schlitten 70 für die Ausgabeoptik vorge sehen ist, der mit einer Leitspindel 72 abgestützt und transportiert wird, die von einem Leitspindelmotor 74 angetrieben wird. Der Spiegel 39 und die Zylinderlinse 40 sind mit einem Haltearm 76 mit dem Schlitten 70 verbunden. Das ferne Ende der Leitspindel 72 ist in geeigneter Weise an Support 69 befestigt. Während die Leitspindel 72 mit dem Leitspindelmotor 74 gedreht wird, traversieren der Reflektor 39 und die Zylinderlinse 40 längs des Werkstückes 12. Da das Werkstück 12 ebenfalls rotiert, wird eine wendeiförmige Fläche auf dem Werkstück 12 geschaffen, wie beschrieben.

Bei der speziell in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform wurde ein 500 Watt-Laser EVERLASE der Firma Coherent verwendet.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines durch Umwandlung härtbaren
Werkstückes, bestehend aus folgenden Schritten:

Es wird ein Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstückes mit ausreichend hohen Leistungsdichten gerichtet, um eine Weißglutreaktion mit dem Werkstück hervorzurufen, und

die Weißglutreaktion bei irgendeiner beliebigen Fläche des Werkstückes wird auf eine ausreichend kurze Zeitspanne begrenzt, um irgendein
merkliches Schmelzen des Werkstückes zu verhindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich das Werkstück vorkonditioniert wird, ehe der Laser darauf gerichtet wird, indem eine dünne, gleichförmige Beschichtung auf der Werkstückoberfläche geformt wird, die bei der Wellenlänge des Laserstrahls absorbierend ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Werkstück mit einem Gasstrahl abgeschreckt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Werkstück mit einem Gasstrahl abgeschreckt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Laserstrahl zu einer schmalen Linie an der Stelle fokussiert wird, an der er das Werkstück durchsetzt,und der Laserstrahl längs des Werkstückes so traversiert wird, daß die Laserstrahl linie in eine Richtung allgemein senkrecht zur
Traversierrichtung orientiert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Laserstrahl derart über das Werkstück traversiert wird, daß die Verweil zeit kurz genug ist, um irgendein merkliches Schmelzen zu verhindern.

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7. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zum Vorkonditionieren eine dünne Schicht aus schwarzem Oxyd aufgebracht wird.

8. Verfahren zur Wärmebehandlung eines durch Umwandlung härtbaren Werkstückes unter Verwendung eines Laserstrahls, der als Wärmeenergiequelle auf das Werkstück gerichtet wird, bei dem das Werkstück vor der Wärmebehandlung des Lasers dadurch vorkonditioniert wird, daß eine dünne, gleichförmige Oxydoder Phosphat-Schicht auf der Oberfläche des Werkstückes gebildet wird.

9. Verfahren zur Wärmebehandlung eines durch Umwandlung härtbaren Werkstückes unter Verwendung eines Laserstrahls, der als Wärmequelle auf das Werkstück gerichtet wird, bei dem auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes eine gleichförmige Schicht aus einem Material vorgesehen wird, das die Laserenergie effektiver in das Werkstück koppelt als das Werkstückmaterial selbst.

10. Verfahren zur Wärmebehandlung eines zylindrischen Werkstückes aus einem durch Umwandlung härtbaren Material ohne merkliches Verziehen, bestehend aus folgenden Schritten:

Es wird ein Laserstrahl auf die Oberfläche des zylindrischen Werkstückes mit ausreichend hohen Leistungsdichten gerichtet, so daß eine im wesentlichen momentane Weißglutreaktion mit dem Werkstück hervorgerufen wird,

die Verweil zeit des Laserstrahls an irgendeinem gegebenen Punkt auf der Oberfläche des Werkstückes wird begrenzt, um irgendein merkliches Schmelzen des Werkstückes zu verhindern, und zwar durch

(i) Drehen des Werkstückes um seine Längsachse,

(ii) Traversieren des Laserstrahls longitudinal zum rotierenden Werkstück, so daß ein wendeiförmiges

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wärmebehandeltes Band auf dem zylindrischen Werkstück gebildet wird,

(iii) Formen des Laserstrahls zu einer dünnen Lichtlinie auf dem Werkstück, wobei die Lichtlinie in einer Richtung parallel zur Längsachse des Werkstückes orientiert ist; und

(iv) Vorkonditionieren des zu behandelnden Werkstückes mit einer gleichförmigen Schicht aus einem Material, das für die Laserstrahlwe11 enlänge absorbierend ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zum Vorkonditionieren eine Oxydschicht gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Werkstück mit einem Gasstrahl abgeschreckt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Drehzahl des Werkstückes und die Oberstreichrate des Laserstrahls so gewählt werden, daß das resultierende wärmebehandelte Wendelband durch ein nicht wärmebehandeltes wendeiförmiges Band unterteilt 1st.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Laserstrahl versetzt gegen die Vertikalachse des Werkstückes auf dieses gerichtet ist..

15. Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines durch Umwandlung härtbaren Werkstückes, bestehend aus einer Einrichtung, mit der ein Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstückes mit ausreichend hohen Leistungsdichten gerichtet wird, um eine Weißglutreaktion mit dem Werkstück hervorzurufen, und

Einrichtungen, mit denen die Weißglutreaktion an irgendeiner gegebenen Fläche der Werkstückoberfläche auf eine ausreichend kurze Zeitspanne begrenzt wird, um Irgendein erhebliches Schmelzen des Werkstückes zu verhindern.

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16. Vorrichtung nach Anspruch 15 mit Einrichtungen zum Vorkonditionieren des Werkstückes bevor es dem Laserstrahl ausgesetzt wird durch Bildung einer dünnen, gleichförmigen Schicht auf der Oberfläche des Werkstückes, die bei der Wellenlänge des Laserstrahls absorbierend ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16 mit einer Einrichtung zum Abschrecken des Werkstückes mit einem Gasstrahl.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 mit einer Einrichtung zum Abschrecken des Werkstückes mit einem Gasstrahl.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei dem die Einrichtung zum Begrenzen der Weißglutreaktion besteht aus einer Einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls in eine schmale Linie an seinem Schnittpunkt mit dem Werkstück und einer Einrichtung zum Traversieren des Laserstrahls längs des Werkstückes, wobei die Laserstrahllinie in einer Richtung allgemein senkrecht zur Traversierrichtung orientiert ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Einrichtungen zur Begrenzung der Weißglutreaktion eine Einrichtung zum Traversieren des Laserstrahls quer über das Werkstück für eine Verweil zeit aufweisen, die kurz genug ist, um jedes merkliche Schmelzen zu verhindern.

21. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Energiedichten an der Oberfläche des Werkstückes in einem Bereich von etwa 100 bis 160 χ Watt/Quadratzoll (15,5 bis 24,8 kW/cm²) liegen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Begrenzungseinrichtungen für eine Verweil zeit von etwa 0,017 bis 0,026 Sekunden sorgen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Fokussiereinrichtung aus einer Zylinderlinse besteht.

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24. Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines zylindrischen Werkstückes aus einem durch Umwandlung härtbaren Material ohne merkliches Verziehen, bestehend aus einer Einrichtung, mit der ein Laserstrahl auf die Oberfläche des zylindrischen Werkstückes mit ausreichend hohen Leistungsdichten gerichtet wird, um eine im wesentlichen sofortige Weißglutreaktion mit dem Werkstück hervorzurufen,

Einrichtungen zur Begrenzung der Verweilzeit des Laserstrahl an irgendeinem gegebenen Punkt der Werkstückoberfläche zur Verhinderung irgendeines merklichen Schmelzens des Werkstückes, die ihrerseits bestehen aus:

(i) Einrichtungen zur Rotation des Werkstückes um seine Längsachse

(ii) Einrichtungen zum Traversieren des Laserstrahls

longitudinal zum rotierenden Werkstück, so daß ein wendelförmiges wärmebehandeltes Band auf dem zylindrischen Werkstück gebildet wird

(iii) Einrichtungen zur Verformung des Laserstrahls zu einer dünnen Lichtlinie, die in einer Richtung parallel zur Längsachse des Werkstückes orientiert ist und

(iv) Einrichtungen zum Vorkonditionieren des zu behandelnden Werkstückes mit einer gleichförmigen Schicht aus einem Material, das bei der Laserstrahlwellenlänge absorbierend ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24 mit einer Einrichtung zum Abschrecken des Werkstückes mit einem Gasstrahl.

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26. Vorrichtung nach Anspruch 25 mit einer Einrichtung zur Auswahl der Drehzahl des Werkstückes und der Traversierrate des Laserstrahls derart, daß das resultierende wä'rmebehandelte Schraubenlinien förmi ge Band durch ein nicht wärmebehandeltes schraubenlinienförmiges Band getrennt ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei dem die Einrichtung zum Ausrichten des Laserstrahl Einrichtungen aufweist, mit denen der Laserstrahl versetzt gegen die Vertikalachse des Werkstückes ausgerichtet wird.

28. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der die Beschichtung aus einem Oxyd besteht.

29. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der die Beschichtung aus einem schwarzen Oxyd besteht.

30. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der die Energiedichten an der Oberfläche des Werkstückes in einem Bereich von etwa 100 bis 160 χ Watt/Quadratzoll (15,5 bis 24,8 kW/cm²) liegen.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Begrenzungseinrichtungen für eine Verweilzeit von etwa 0,017 bis 0,026 Sekunden sorgen.

32. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der die Strahlfokussiereinrichtung aus einer Zylinderlinse besteht.